页岩气成藏特点及勘探选区条件

收稿日期： 2011－09－19。 作者简介： 范柏江，男，在读博士研究生，从事含油气盆地分析工作。联系电话： （ 010） 58910086，E－mail： 632258611@ qq． com。 基金项目： 国土资源公益性行业科研专项“东北地区油页岩科学研究基地研究”（ 201111012） 。
第 18 卷 第 6 期
范柏江等． 页岩气成藏特点及勘探选区条件
·11·
质组反射率（ Ro） 为 0． 4% ～ 0． 6% ，所生成的甲烷气 碳同位素非常轻，基本上都小于 50‰。伊利诺斯盆 地的 New Albany 页岩 Ro 为 0． 4% ～ 0． 9% ，既有生 物成因气 也 有 热 解 成 因 气，甲 烷 气 碳 同 位 素 较 轻。 而阿巴拉契亚、福特沃斯、圣胡安盆地页岩气碳同位 素没有明显的统计规律，在这些盆地中，部分埋深较 大、热演化程度较高的热解成因页岩气，其甲烷气碳 同位素偏低，究其根本原因，是页岩气属于残留型的 天然气藏，其天然气是不同热演化阶段生成的不同 成因类型天然气的混合体，由此导致天然气的组分 特征及 其 碳 同 位 素 特 征 表 现 并 不 单 一。Milici 认 为，生物降解作用的未熟生物气大多滞留于气源岩 内，与后期生成的热解气混合，构成了成熟热解气或 热裂解气的一部分，这可作为页岩气藏的一个辅助 识别标志［14］。
0． 01
35 ～ 44
35 ～ 50
0． 99 ～ 1． 02
圣胡安 前陆
Lewis 早白 垩世
914 ～ 1 829
152 ～ Ⅲ型及 0． 45 ～ 1． 6 ～ 0． 37 ～ 579 Ⅱ型 3 1． 88 1． 27
60 ～ 85
5 ～ 15
0． 5 ～ 5． 5
＜0． 1
28 ～ 55
50 ～ 0． 46 ～ 75 0． 58
0． 4 ～ 1． 13 ～ 0． 9 2． 64
40 ～ 66
Hale Waihona Puke Baidu
10 ～ 20 5 ～ 12
＜0． 1
41
50 0． 99
福特 沃斯
前陆
Barnett
早石 炭世
1 981 ～ 2 591
61 ～ 300
Ⅱ型
1～ 5． 6
1． 0 ～ 8． 49 ～ 2． 1 9． 91
40 ～ 60
8 ～ 15 1 ～ 6
页岩气的运移距离极短，基本上属于就近聚集 或者原地聚集，具有典型的“自生自储”特点。页岩 气的运移属于初次运移，有机母质生成的气体经初 次运移进入孔隙及裂缝，无需二次运移就可以成藏。 页岩气藏以一个近乎封闭的独立体系存在，除了部 分页岩气以扩散、渗滤的形式散失以外，大部分气体 滞留于页岩内部，由此导致页岩气藏大多具有异常 压力，异常压力是否存在可以作为页岩气藏识别的 一个重要标志。从热演化阶段上分析，在浅埋藏阶 段，页岩直接生气的生气量较少，往往小于其外部气 源岩的生物化学生气量，因而易形成异常低压； 而在 深埋藏阶段，热演化程度增高，页岩的生气量增大， 页岩内部气体急剧膨胀导致形成异常高压。页岩内 部的高压与低压异常并不是绝对的。例如在深埋藏 阶段，页岩气藏外部的烃类流体大量热解成气导致 压力升高时，页岩气藏也可能表现为异常低压。页 岩气藏发生构造抬升或沉降运动时，其地层压力得 到一定程度的滞留，也会导致产生相对高或低的异 常压力。 1． 4 保存条件
龙马 溪组
2 300 ～ 志留纪 4 100
100 ～ Ⅰ型及 0． 5 ～ 372 Ⅱ型 3． 5
2． 0 ～ 4． 5
0． 4 ～ 1． 87
27 ～ 60
－
1． 3 ～ 14． 37
＜0． 15
31 ～ 48
－
－
四川 前陆
筇竹 寺组
2 700 ～ 寒武纪 3 600
20 ～ 410
0． 5 ～ 2． 0 ～ Ⅰ型 4． 0 5． 0
摘要： 中国页岩气勘探尚属于早期阶段，对页岩气成藏的认识还不够深入，页岩气的资源评价亦处于薄弱环节。通
过北美与四川盆地页岩气的对比可知，与常规天然气相比，页岩气的成藏条件只需要物源条件、储集条件、初次运
移条件及保存条件，没有二次运移和圈闭条件的要求。页岩气具有 3 个典型的成藏特征，即独特的成因特征、气源
的机会增多。TOC 对气源生产力的影响不大，TOC 的变化 范 围 大 （ 0． 3% ～ 25% ） ，但 页 岩 气 产 层 的 TOC 往往 都 较 高 （ 一 般 超 过 2% ） ，这 主 要 是 因 为 TOC 高的泥页岩含粘士矿物多，吸附性强，有利于 页岩气的赋存。具备一定的厚度是页岩气规模聚集 的必要条件（ 目前可采层的页岩净厚度最小不低于 6 m） ，厚度大的泥页岩才能保证页岩气的总产气量 达到规模聚集。从中外已发现的页岩气藏来看，Ro 为 0． 4% ～ 5． 0% 的泥页岩均可能为页岩气提供规 模聚集的气源，但对相同母质而言，其热演化程度越 大，页岩气的产气量往往也越大。
第 18 卷 第 6 期 2011 年 11 月
油气地质与采收率 Petroleum Geology and Recovery Efficiency
Vol． 18，No． 6 Nov． 2011
页岩气成藏特点及勘探选区条件
范柏江1，2 ，师 良3 ，庞雄奇1，2
（ 1． 中国石油大学（ 北京） 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249； 2． 中国石油大学（ 北京） 盆地与油藏研究中心， 北京 102249； 3． 中国石油大学（ 北京） 机械与储运工程学院，北京 102249）
页岩气的储层即页岩本身。地质条件下，绝大 部分页岩的孔隙度小于 15% ，含气的有效孔隙度一 般仅为 1% ～ 5% ，单一的页岩孔隙不足以为商业聚 集的页岩气提供足够的储集空间，但通过页岩发育 规模和页岩裂缝的弥补作用，页岩能为页岩气提供 充足的储集空间。北美产气页岩的厚度规模一般在 30 m 以上，而四川盆地威远地区下寒武统产气页岩 厚度最小规模大约只有 20 m（ 表 1） 。目前已发现 的具有工业价值的页岩气藏均发育裂缝，而构造转 换带、地应力集中带及褶皱—断裂带往往都是裂缝 发育的地区，这 些 地 区 的 页 岩 一 般 都 发 育 裂 缝，因 此，盆地边缘斜坡、构造背斜缓翼的轴部、盆地中心 （ 受上覆载荷力诱导） 等区域的页岩均是页岩气藏
1 页岩气成藏条件
与常规天然气相比较而言，页岩气的成藏条件 有其自身特点，页岩气成藏需要充足的气源、裂缝适 度发育的规模页岩等，但却不需要特定的圈闭条件。 1． 1 物质来源
页岩气的物源主要是富沥青质或富有机质的暗
色泥页岩，亦即高炭泥页岩。高炭泥页岩为页岩气 的工业聚集提供了充足的气源物质基础。从北美阿 巴拉契亚、密执安、伊利诺斯、福特沃斯、圣胡安盆地 和中国四川盆地页岩气气源的统计情况来看，能提 供页岩气的高炭泥页岩的粘土矿物含量为 30% ～ 55% ，有机质含量为 2% ～ 35% ，有机碳含量（ TOC） 为 0． 4% ～ 25% ，粉砂质含量一般小于 25% ，母质类 型包括Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，但以Ⅰ型和Ⅱ型为主（ 表 1） 。高炭泥页岩生成的所有气体如生物气、低熟— 未熟气、热解气、裂解气、沥青气等都可以成为页岩 气的气源。 1． 2 储集条件
由于页岩气大量储集于页岩内部的裂缝之中，
其四周被致密的泥页岩所包围，因而页岩气不需要 特定的圈闭条件就可以成藏。如果页岩裂缝过于发 育，独立封闭体系容易遭受破坏，页岩气可以通过裂 缝散失，因此在某些裂缝相当发育的地区，页岩气反 而难以成藏。但是，如果存在良好的封盖层条件也 即 Bowker 提出的“挡板”条件时，页岩气的逸散作 用可以得到有效抑制，“挡板”可以以多种岩性的方 式存在，如福特沃斯盆地 Barnett 页岩“挡板”为上覆 的灰岩［11］； 四川盆地须家河组页岩“挡板”为致密的 砂质灰岩 和 灰 质 砂 岩［12］； 东 营 凹 陷 沙 河 街 组 页 岩 “挡板”为高度钙质胶结的致密砂岩［13］。
目前，已进行商业性开发的页岩气藏，绝大部分 都是热解成因或者热裂解成因的类型，生物成因类 型页岩气藏开采较少，主要原因是热解或者热裂解 条件下，泥页岩的生气量一般较大，而在生物成因尤 其是母质类型还较差的条件下，泥页岩生气量较少， 很难有充足的气源形成页岩气藏。 2． 2 气源生产力特征
形成规模的页岩气聚集，必须要有充足的气源 生产力。气源生产力的影响因素既包括气源岩本身 的特性如母 质 类 型、有 机 碳 含 量、气 源 岩 规 模 等 内 因，又包括热演化条件等外因。页岩气生气母质多 为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅲ型较少，在同等热演化程度下，母 质类型好的泥页岩其生气潜力相对较大，气体残留
随着常规油气勘探难度的增大，非常规油气勘 探逐渐被重视，2000 年以来，页岩气的勘探更是开 始引起广泛关注。中国页岩气资源丰富，以四川盆 地 为 例 ，威 远 和 泸 州 地 区 的 页 岩 气 资 源 达6 ． 8 × 1012 ～ 8． 4×1012 m3 ，相当于四川盆地常规天然气资 源的总量［1］，2009 年 成 功 开 钻 中 国 第 1 口 页 岩 气 井———威 201 井。前人对页岩气成藏的地质条件、 页岩气的成藏机理进行了诸多探索，但对页岩气成 藏条件和成藏特征尚未进行分类总结。由于对页岩 气成藏机理认识不足，导致对页岩气资源评价存在 困难［2－3］。就页 岩 气 资 源 评 价 而 言，成 因 法 计 算 过 于粗略，统计法要求勘探程度高，因而均不适用，而 类比法由于尚未建立评价参数标准，其应用受到了 限制。笔者基于北美 5 大页岩气盆地和中国四川盆 地的实例研究，进行页岩气成藏条件及成藏特征的 剖析，最终建立页岩气选区的评价标准，以期为页岩 气的资源评价服务。
具有工业开采价值的页岩气藏，都具有充足的 气源生产力，即生成了足够多的页岩气，但这并不表 明页岩气的气源条件狭窄，相反，页岩气对各项成藏 指标有严格的下限要求。对页岩气成藏而言，在一 定程度上，页岩气的成藏指标之间具有互补性，某个 单一指标的不足不能决定其成藏条件的好坏，其他 指标较好时，也能起到补偿作用，页岩气资源亦是取 决于各种指标综合作用的结果。福特沃斯盆地页岩 最小平均净厚度很小（ 不足 10 m） ，含气孔隙度不足 0． 2‰，但其有机碳含量高（ 最大平均含量为 5% ） 、 热演化程度较高（ Ro 平均为 2． 1% ） ，对成藏起到了 弥补作用，因 而 形 成 了 达 到 工 业 开 采 价 值 的 气 藏 （ 图 1） 。密执安盆地含气孔隙度不足 0． 3‰，热演 化程度低（ Ro平均为 0． 6% ） ，但其有机碳含量高（ 最 大平均含量超过 10% ） ，有机质类型好（ Ⅰ型） ，对成 藏起到了弥补作用，也形成了具有工业开采价值的 气藏（ 图 1） 。
0． 4 ～ 2． 45
38 ～ 64
－
1～ 6． 53
＜0． 1 28 ～ 50
－
－
注： 北美页岩气数据据 USGS 网站及参考文献［4－10］整理。
发育的有利地区。页岩对埋深基本没有要求，具有 商业价值的页岩气藏其最浅埋深仅为 182 m［4］，而 埋深超过 5 000 m 仍有页岩气藏发育。 1． 3 运聚条件
粘土 矿物含 量，%
石英 地层 含量， 压力
% 系数
阿巴拉 契亚
前陆
Ohio
泥盆纪
610 ～ 1 524
91 ～
0． 5 ～ 0． 4 ～ 1． 7 ～
610 Ⅱ型 6
4
2． 83
50 ～ 70
10 ～ 20 2 ～ 11
＜0． 1
35 ～ 50
45 ～ 60
0． 35 ～ 0． 92
密执安 克拉通
2 页岩气成藏特征
在具备成藏条件的基础上，由于成藏机理的差 异，与常规天然气相比，页岩气的成藏具有其独特的 特征，具体表现在成因、气源生产力和赋存 3 个方 面。 2． 1 成因特征
页岩气的成因类型包括生物成因、热解成因和 热裂解成因 3 类，在地质条件下，页岩气可以经历一 种或多种成因类型。泥页岩埋深较浅，热演化程度 较低时，生成的页岩气也即生物成因气，典型的生物 成因气是密执安盆地的 Antrim 页岩气（ 表 1） ，其镜
Antrim 泥盆纪
183 ～ 730
49
0． 3 ～ 0． 4 ～ 1． 13 ～
Ⅰ型 24
0． 6
3． 5
10 ～ 50
20 ～ 60 2 ～ 10
＜0． 1
30 ～ 42 20 ～ 41 0． 81
伊利 诺斯
New
183 ～
克拉通 Albany 泥盆纪 1 494
31 ～
1～
122 Ⅱ型 25
·10·
油气地质与采收率
2011 年 11 月
盆地 名称
盆地 类型
表 1 中国和北美部分页岩气系统地质特征对比
页岩 名称
地质 年代
埋深 / m
产气 页岩厚 度/m
母质 类型
有机 镜质 含气量 /
碳含 量，%
组反射 率，%
（
m3·t －1
）
吸附 气含 量，%
采收 率，%
隙总%度孔，1渗0 －透3 μ率m/2
生产力特征和赋存特征。基于页岩气成藏条件和成藏特征的分析，综合考虑地质状况、经济效益和环境影响等多
方面的因素，建立了页岩气勘探开发的选区指标，以此为页岩气资源评价服务。
关键词： 页岩气 成藏条件 成藏特征 选区条件 资源评价
中图分类号： TE112． 1
文献标识码： A
文章编号： 1009－9603（ 2011） 06－0009－05